Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах: комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, баланс потоков, транспортные явления, страница 6

На рис. 2 показано рассчитанное распределение их основных форм в речной (слева) и морской (справа) воде. Для меди характерно сильнейшее взаимодействие с карбонат ионом. При рН 8 доминирующей формой меди является нейтральный комплекс CuCO₃^o, а содержание свободных ионов Cu²⁺ составляет 5.6 % в речной и 20.3 % в морской воде. Цинк менее расположен к образованию комплексов, так что при рН 8 на долю свободных ионов Zn²⁺ приходится 78.9 и 82.3 %, соответственно, в речной и морской воде. Распределение комплексов кадмия в речной и морской воде контрастно различается. В речной воде при рН 8 доля свободных ионов Cd²⁺ составляет 92.2 %, а в морской воде снижается до 4.4 % за счет образования хлоридных комплексов.

РЕЧНАЯ ВОДА                                              МОРСКАЯ ВОДА

		Рис. 2. Распределение неорганических комплексов меди, цинка и кадмия в речной (слева) и морской (справа) воде при 25оС и давлении СО2 360 μАтм.

Наиболее важными труднорастворимыми соединениями тяжелых металлов являются карбонаты и оксиды. При атмосферном давлении углекислого газа для меди характерно образование тенорита CuO, а при повышении давления CO₂ в 10 раз становится стабильным малахит (CuOH)₂CO₃. В равновесии с атмосферным воздухом стабильной фазой цинка является гидроцинкит Zn(CO₃)_0.4(OH)_1.2. Цинкит ZnO становится стабильным при снижении давления углекислоты в 24 раза, а смитсонит ZnCO₃ – при увеличении в 2.3 раза. Карбонат кадмия, отавит CdCO₃, является весьма труднорастворимой фазой, так что гидроокись кадмия Cd(OH)₂ может существовать лишь при давлении углекислоты в 10000 раз меньшем атмосферного. Помимо оксидов и карбонатов, для меди и цинка характерно образование слоистых силикатов (хризоколла, соконит, и пр.), термодинамика которых неизвестна.

Глава 2. Взаимодействие ионов с гумусовыми веществами

2.1. Общая характеристика гумусовых веществ

Гумусовые вещества являются, в основном, продуктами разложения растительной клетчатки. Углерод обычно составляет около 50 % массы гумусового вещества, так что этим соотношением удобно пользоваться для перевода содержания органического углерода в содержание органического вещества и обратно. В настоящей работе используются обозначения, принятые в западной литературе: DOM (dissolved organic matter) – растворенное органическое вещество, OM – органическое вещество, OC – органический углерод.

Гумусовые вещества могут прочно связываться с минеральными частицами и образовывать условно твердый гумус. Распределение гумусового вещества между раствором и осадком зависит от многих факторов, однако, в среднем, коэффициент распределения составляет 10 л/г. Хотя данный коэффициент распределения чувствителен к некоторым химическим факторам (pH, ионная сила, содержание Ca и Mg в растворе и пр), он является в значительной степени консервативным, и его более правильно было бы назвать «типичным отношением». Речная вода обычно содержит одинаковые количества растворенных гуминовых и фульвокислот. В отличие от фульвокислот, гуминовые кислоты легко коагулируют в морской воде, поэтому в зонах смешения вод речных эстуариев содержание растворенного органического вещества обычно падает, а коэффициент распределения увеличивается два раза. Наоборот, в почвах, а также водоносных горизонтах, коэффициент распределения обычно уменьшается до единицы. 

Типичное содержание растворенного гумусового вещества в речных и озерных водах составляет 10 и 3 мг/л, соответственно. В океанических водах содержание гумусовых веществ на всех глубинах составляет 1 мг/л и увеличивается до 5 мг/л только в приповерхностных водах континентальных окраин. Почвенные растворы обычно содержат органическое вещество в количестве порядка 30 мг/л, а в водоносных горизонтах типичным является содержание растворенного органического вещества 1 мг/л. Почвы содержат около 3 вес. % гумуса, в речных взвесях его содержание составляет около 10 вес. %, в песках водоносных горизонтов обычно содержится около 0.1 вес. % твердого гумуса.